Ir掺B团簇结构演变和电子性质的理论研究

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团簇由于其自身较大的比表面积,异常高的化学和催化活性,在很多方面都具有广泛的应用。团簇科学的基本问题是弄清楚团簇在向宏观固体物质演变的过程中结构和性质的变化,由于团簇的许多物理和化学性质都是由团簇的结构决定,所以寻找团簇的最稳定结构是研究团簇的首要问题。硼团簇由于缺乏电子的特性,容易共享电子形成多中心键,其特殊的结构和化学性质引起了人们的注意,而过渡金属掺杂硼团簇提供了一种不同寻常的键合方式,为设计硼基纳米材料提供了新的途径。基于上述原因,我们系统的研究了中性和阴性铱掺杂硼团簇IrBn0/-(n=10-20)的结构演化和电子性质,这项工作的主要内容和最终结果如下所示:(1)通过CALYPSO团簇结构预测方法,对中性和阴性IrBn0/-(n=10-20)团簇进行了结构搜索,随后结合密度泛函理论,对获得的团簇进行结构优化。结果显示IrBn和IrBn-团簇的基态结构在尺寸小时容易形成平面和准平面结构,随着尺寸的增大,多数呈现笼状和鼓状结构。值得注意的是IrB18-的基态结构是一个平面硼烯结构,有望成为金属硼烯的可行序列。(2)通过理论研究模拟了阴性IrBn-的光电子能谱,得到了它的垂直分离能,并且将IrB18-的理论值与同主族过渡金属掺杂硼团簇的实验值相比较,符合的很好。结果表明,光谱图中存在两种同分异构体来竞争全局最小值,意味着具有Cs对称性的准平面结构和D9d对称的鼓状结构可以共存于IrB18-团簇中。(3)通过计算铱掺杂硼团簇基态结构的结合能、二阶差分能和HOMO-LUMO能隙,发现阴性中硼原子数目为偶数的团簇比相邻团簇的结构相对更加稳定。(4)自然布局分析被用来了解Ir掺杂B团簇基态结构中负电荷的分布情况,发现大多数阴离子簇中Ir原子上的电荷量高于对应中性簇中Ir的电荷量,可能是因为Ir的电负性大而更容易带负电荷。(5)化学键分析表明,IrB18-团簇的准平面结构是具有11π电子的芳香族,外围B原子的2p轨道与金属Ir原子的5d轨道之间的强相互作用增强了阴离子IrB18-团簇的稳定性。目前的发现为不同尺寸Ir掺杂B团簇的结构演化提供了新的见识,并为金属硼烯的设计开辟了道路。
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